McGilli ülikool

Astronoomid on avastanud, et kuumal Jupiter CoRoT-2b-l puhub tuul "vales" suunas, mistõttu ei asu planeedi kuumim punkt teooriate kohaselt. Loodus.

Erinevalt Jupiterist, mis asub Päikesest 5 astronoomilise ühiku kaugusel (st Maast viis korda kaugemal), on kuum Jupiter teatud tüüpi planeet, mis asub tähest umbes 0,05 astronoomilise ühiku kaugusel. Selline planeet teeb ühe pöörde ümber põhitähe vähem kui kolme päevaga. Oma läheduse tõttu ematähele püütakse need gaasihiiglased loodete ajal kinni ja pööratakse alati ühe külje selle poole, mistõttu on planeedi päevane pool märgatavalt kuumem kui öine pool.

Teoreetiliselt peaks kuuma Jupiteri kuumim punkt olema tähele kõige lähemal, kuid tegelikkuses on see tsoon tavaliselt nihkunud itta: astronoomid seletavad vaadeldud tunnust ekvaatorituulte liikumisega. Kaasaegsed mudelid ütlevad, et tuul peab sisse puhuma idasuunas, mistõttu liigub ka gaasihiiglase kuumim punkt itta. Planeedi CoRoT-2b puhul läks aga kõik teisiti. Spitzeri kosmoseteleskoobiga taevakeha uurides märkas McGilli ülikooli teadlaste meeskond, et planeedi kõige soojem punkt on nihkunud läände.

Eksoplaneet CoRoT-2b avastati umbes 10 aastat tagasi. See asub Maast 930 valgusaasta kaugusel Serpensi tähtkujus. Raadius taevakeha umbes 1,43 korda suurem Jupiteri raadiusest ja mass on 3,3 korda suurem. Nagu astronoomid märgivad, on CoRoT-2 süsteem huvitav korraga mitmel põhjusel: esiteks on selle peamine täht, kollane kääbus, väga aktiivne, teiseks on sellel gravitatsiooniga seotud kaaslane täht 2MASS J19270636+0122577 ja kolmandaks , eksoplaneet CoRoT-2b on väga ülespuhutud ja sellel on ebatavaline emissioonispekter.

Pinna heledus CoRoT-2b

Lisa Dang jt / Loodus, 2018

CoRoT-2b efektiivne pinnatemperatuur on lähedal HD 209458b, tüüpilise kuuma Jupiteri teisest süsteemist. Vaatamata sellele on HD 209458b kuumim piirkond nihkunud itta, samas kui CoRoT-2b kuumim piirkond on nihkunud läände 23 ± 4 kraadi võrra. Töö autorite sõnul võib anomaalial olla kolm seletust. Ühest küljest võib eksoplaneet pöörlema ​​ümber oma telje aeglasemalt kui ümber tähe – simulatsioonid näitavad, et sel juhul puhuvad ekvaatorituuled vastupidises suunas läände. Teisest küljest võib CoRoT-2b atmosfäär sellega suhelda magnetväli mis mõjutab tuulte liikumist. Samuti võivad planeedi idakülge katvad tihedad pilved muuta selle "tumedamaks" kui see tegelikult on (infrapunas), kuid selline seletus ei ühti täielikult kuumade Jupiterite atmosfääri tsirkulatsiooni mustritega.

Kõige täpsema CoRoT-2b mudeli loomiseks on vaja rohkem andmeid. Need aitavad paljastada kuuma Jupiteri atmosfääri tunnused. Tulevikus plaanivad astronoomid teha vaatlusi kosmoseteleskoobiga, mis peaks startima 2019. aasta kevadel.

Huvitaval kombel võivad kuumadel Jupiteritel olevad pilved oma atmosfääris vett peita ja see takistus on tüüpiline sellele eksoplaneetide klassile.

Kristina Ulasovitš

Algselt seisis märkuses, et James Webbi teleskoobi käivitamine oli kavandatud 2018. aastaks, kuid need on aegunud andmed. 2017. aasta septembris teatas NASA stardi edasilükkamisest 2019. aasta kevadesse. Toimetus vabandab lugejate ees.

Kui astronoomid avastasid umbes kaks aastakümmet tagasi päikesesarnase tähe ümber esimese eksoplaneedi, muutus nende esialgne rõõm kiiresti segaduseks. Planeet 51 Pegasus b (Bellerophon) oli poolteist korda massiivsem kui Jupiter ja selle 4-päevane orbiit oli tähele uskumatult lähedal. Planeetide teket uurivad teoreetikud ei suutnud seletada, kuidas nii suurel kehal võib olla nii lähedane orbiit. Võib-olla oli ta üldisest mustrist väljas? Aga ei, nüüd teame palju.

Kaugete maailmade edasised otsingud tõid teadlastele ette veel mitmeid üllatusi: pikliku ja väga kaldu orbiidiga planeete ja isegi planeete, mis liiguvad nende ematähe pöörlemisele vastupidises suunas.

Eksoplaneedi kunstiline kujutamine 51 Pegasi b. Krediit: ESO/M. Kornmesser/Nick Risinger

Eksoplaneetide jaht sai hoogu 2009. aastal NASA Kepleri kosmoseteleskoobi startiga, mis avastas enam kui 2500 maailma. Kepler leidis, et kõige levinumad planeedid on niinimetatud "supermaad" (kusagil Maa ja Neptuuni suuruse vahel). Meie päikesesüsteemis neid pole.

Praegu koguvad maapealsed teleskoobid valgust otse eksomaailmadest, mitte ei tuvasta neid kaudselt, nagu seda tegi Kepler, ja ka need on astronoomid hämmingus. Teleskoobid avastavad mitu korda Jupiteri massist suuremaid hiidplaneete, mis on nende tähest kaks korda kaugemal kui Neptuun Päikesest ja kus teoreetikud arvasid, et need lihtsalt ei saa tekkida. Seni pole leitud ühtegi tellitut nagu meie oma. tähesüsteem, ja teoreetikud püüavad pidevalt välja pakkuda stsenaariume, mis selgitaksid varem "keelatud" planeetide ilmumist nende "võimatule" orbiidile.

«Need on ilmselged asjad, mis meie mudelitesse kohe esimesest päevast peale ei sobi. Pole kunagi olnud teooriat, mis oleks vaatlusele järele jõudnud,” ütles Stanfordi ülikooli (USA) füüsik Bruce McIntosh.

Traditsiooniline nii tähtede kui ka nende planeetide tekkemudel pärineb 18. sajandist, mil teadlased väitsid, et aeglaselt pöörlev gaasi- ja tolmupilv võib oma gravitatsiooni mõjul kokku variseda. Suurem osa materjalist moodustab palli, mis süütab tähe, kui selle tuum muutub piisavalt tihedaks ja kuumaks. Ja ülejäänud materjal kogutakse tasasele kettale. Tolm, mis koosneb raua ja muude kõvade osakeste mikroskoopilistest osadest, on võti selle ketta muutmisel planeetide kogumiks. Kuna see ringleb seda neelavas kettas, põrkuvad osakesed mõnikord kokku ja kleepuvad kokku elektromagnetilised jõud. Mitme miljoni aasta jooksul koguneb tolm teradeks, rändrahnudeks ja lõpuks kilomeetripikkusteks planetesimaalideks.

Protoplanetaarse ketta kunstiline kujutamine. Krediit: ESO/M. Kornmesser

Sel hetkel võtab võimust gravitatsioon, meelitades tolmu ja gaasi mikroobide juurde, mis kasvavad planeetide suuruseks. Selleks ajaks on suurema osa ketta siseosas olevast gaasist planeedid ära võtnud, täht ära söönud või tähetuul selle ära puhunud. Gaasi puudumine tähendab, et siseplaneedid jäävad enamasti kiviseks, õhukese atmosfääriga.

See kasvuprotsess, mida nimetatakse akretsiooniks, toimub kiiremini ketta välimises osas, kus on piisavalt vesijääd. Sellest kaugemale jääv jää võimaldab protoplaneetidel kiiremini konsolideeruda. Sellel õnnestub ehitada tahked südamikud (kuni 10 korda massiivsemad kui Maa), enne kui ketas oma gaasi kaotab. See võimaldab moodustada tiheda atmosfääriga planeete, nagu Jupiter (otsige tahket südamikku suur planeet Päikesesüsteem saab olema üks kosmoseaparaadi ülesannetest).

See stsenaarium kirjeldab loomulikult meiesuguste planeedisüsteemide arengut: väikesed kivised planeedid õhukese atmosfääriga tähe lähedal ja gaasihiiglased igavese lume piiri taga. Lisaks muutuvad hiiglased tähest eemaldudes aina väiksemaks, kuna nende aeglane pöörlemine orbiitidel aeglustab materjali kogumist. Kõik planeedid jäävad ligikaudu sinna, kus nad tekkisid, ringikujulistel orbiitidel samal tasapinnal. Kena ja korralik.

Kuid "kuumade Jupiterite" avastamine näitas, et selle teooriaga on midagi valesti. Tähele nii lähedale kujunemine tundus uskumatu. Vältimatu järeldus on, et nad moodustasid edasi ja seejärel rändasid.

Siin on teoreetikud välja mõelnud kaks võimalikku planeetide segamise mehhanismi. Esimene eeldab, et pärast hiidplaneedi moodustumist kettal on tohutul hulgal materjali. Gravitatsioon moonutab ketast, luues suurenenud tihedusega tsoone, mis omakorda avaldavad planeedile gravitatsioonimõju, tõmmates seda järk-järgult tähe poole.

Mõned tähelepanekud toetavad seda ideed. Naaberplaneetidel on sageli gravitatsiooniline ühendus, mida nimetatakse orbitaalresonantsiks. See tekib siis, kui nende orbiitide pikkused on omavahel seotud naturaalarv. Näiteks Pluuto tiirleb ümber Päikese kaks korda iga kolme Neptuuni pöörde jooksul. On ebatõenäoline, et see on juhus ja need võisid kunagi triivida, olles lukustatud täiendava stabiilsusega. Migratsioon sihtkohta varajane ajalugu meie päikesesüsteem võib seletada muid veidrusi, sealhulgas Marsi ja asteroidivöö väiksust. Sellele tuginedes on teoreetikud oletanud, et Jupiter tekkis algul Päikesele lähemale, läks seejärel peaaegu Maa orbiidini sissepoole ja paiskus tagasi oma praegusesse asukohta.

Kas kuumad Jupiterid rändavad? Autorid: NASA/JPL-Caltech

On teadlasi, kes leiavad, et rändestsenaarium on liiga keeruline ja ebareaalne. "Ma usun Occami habemenuga," ütles California ülikooli (USA) astronoom Greg Laughlin. Ta on kindel, et planeedid on suurema tõenäosusega omal kohal ega tõmble. "Võib-olla protoplanetaarsed kettad, millel on suuremad planeedid tihedatel orbiitidel, sisaldas palju rohkem materjali, kui me varem arvasime. Muidugi võib esineda mõningast liikumist, mis on piisav resonantsi selgitamiseks, kuid neid peensätteid ei tohiks voolu sisse viia, ”selgitas Greg Laughlin.

Teised usuvad, et lihtsalt ei saa olla piisavalt materjali selliste planeetide moodustamiseks nagu 51 Pegasus b. "Need ei saa seal tekkida. Lisaks tähendab suur hulk pikliku, kaldu või isegi vastupidise orbiidiga planeete planeetide segamist,“ ütles Joshua Wynn Massachusettsi Tehnoloogiainstituudist (USA).

Mõned teoreetikud kasutavad tähelepanekute selgitamiseks pigem gravitatsioonivõitlust kui võimuseaduse migratsiooni. Massiivsed kettad võivad tekitada palju planeete, mis asuvad üksteise lähedal ja nendevaheline gravitatsiooniline rüselus paiskab osa neist tähele, teised kummalistele orbiitidele ja kolmandad süsteemist välja. Teine potentsiaalne tülitekitaja on piklikul orbiidil olev tähesatelliit. Enamasti on see mõju avaldamiseks liiga kaugel, kuid kui see jõuab lähedale, võib see pritsida. Või kui vanemtäht on sõbraliku täheparve liige, võib naabertäht oma jalutuskäigu ajal liiga lähedale tulla ja hävitada. "Süsteemi murdmiseks on palju võimalusi," ütles Joshua Wynn.

Kepleri üllatav avastus oli, et 60% päikesesarnastest tähtedest on oma orbiidil. See nõuab täiesti uusi teooriaid. Arvatakse, et enamik super-Maad on enamasti tahke kivi ja metall, mille tähtede lähedal on gaasi ja orbiit. Näiteks Kepler-80 süsteemil on neli sellist eksoplaneeti, mille orbiidid on 9 päeva või vähem. Tavateooria ütleb, et kogunemine ketta sisemuses on selle tekitamiseks liiga aeglane suured maailmad. Lisaks leidub super-Maad resonantsorbiitidel harva, mis ei toeta rändeteooriat.

Teadlased on leidnud viisi, kuidas olukorrast välja tulla. Üks idee on kiirendada akretsiooni protsessi, mida nimetatakse kiviseks akretsiooniks. Gaasirikas ketas pakub suurepärast vastupidavust väikestele kiviesemetele, aeglustades nende liikumist. See põhjustab nende triivimise tähe poole. Kui nad oma teel planetesimaalidest mööduvad, võimaldab väike kiirus neid tabada. Kuid kiire akreetsioon ja gaasirikkad kettad tekitavad uue probleemi: kui nad saavutavad teatud suuruse, peavad super-Maad tõmbama enda poole tiheda atmosfääri. "Kuidas nad hoiavad end gaasihiiglasteks saamast?" küsib Princetoni Kõrgkoolide Instituudi (USA) astrofüüsik Roman Rafikov.

Kunstiline kujutamine planeetide tekkest kivikeste lisandumise ajal. Autorid: NASA/JPL-Caltech

"Kiirendatud juurdekasvu pole vaja. Kui sisemine piirkond on 10 korda tihedam kui ketas, millest see sündis Päikesesüsteem, siis võib selles kergesti tekkida üks või mitu super-Maad. Ja nad ei kogu liiga palju gaasi, sest selleks ajaks, kui nad lõpuks moodustuvad, on see juba hajunud,” vastas California ülikooli (USA) astronoom Eugene Chang.

Changil on seletus ka teisele hämmastavale avastusele: "ülepuhutud" planeedid. Haruldased ja sama probleemsed maailmad, mis on supermaadest kergemad, kuid millel on tohutult ülespuhutud atmosfäär, mis moodustab 20% nende massist. Teoreetikud usuvad, et sellised eksoplaneedid tekivad gaasirikkas kettas. Kuid selle siseosas hakkab soe gaas võitlema planeedi nõrga gravitatsiooniga, nii et välisketta külm ja tihe gaas on nende kestade jaoks usaldusväärsem kandidaat. Sel juhul kasutab Eugene Chang migratsiooni, et selgitada nende lähedust tähele. Lisaks kinnitab seda tõsiasi, et "puhutud" jäävad sageli orbiidi resonantsi lõksu.

Eksoplaneetide uurimise keskmes on seni olnud protoplanetaarsete ketaste sisemised piirkonnad, mis jäävad ligikaudu Jupiteri orbiidile vastavale kaugusele. See on tingitud asjaolust, et neid saab näha kõigi olemasolevate meetoditega. Tähtede lähedasi maailmu leidub kahel peamisel kaudsel viisil: tähtede heleduse ja kõikumiste muutused. Kuid lähedal asuva eksoplaneedi otsene visualiseerimine on äärmiselt keeruline, kuna seda varjutab peremeestäht, mis võib olla sihtmärgist miljardeid kordi heledam.

Maailma suurimate teleskoopide piire nihutades on astronoomidel aga õnnestunud mitut planeeti otse näha. Ja paarile Viimastel aastatel jahiga on liitunud kaks uut tööriista, mis on loodud spetsiaalselt kaugete maailmade pildistamiseks. Euroopa "Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet Research" (SPHERE) ja Ameerika "Gemini Planet Imager" (GMI) on paigaldatud Tšiili suurtele teleskoopidele ja kasutavad keerukaid maske (koronagraafe), mis blokeerivad tähe valgust.

Planeedisüsteemi HR 8799 kunstniku renderdus. Autorid: NASA, ESA

Üks varasemaid ja silmatorkavamaid süsteeme, mis on leitud otsepildistamise teel, on HR 8799. Neli tohutut planeeti, mis on Jupiteri massist üle viie korra suuremad, tiirlevad tähest "võimatult" kaugemal (Saturni orbiidilt kaks korda suuremale orbiidile). Neptuuni orbiit). Teooria kohaselt liiguvad sellised kauged välismaailmad väga aeglaselt ja enne ketta hajumist ei saa nad koguda massi rohkem kui Jupiter. Kuid eksoplaneetide head ümmargused orbiidid viitavad sellele, et neid ei visatud sinna süsteemi lähedal asuvatest piirkondadest välja.

Sellised kauged hiiglased pakkusid tuge kõige radikaalsemale teooriale, seades standardile väljakutse. Tema sõnul ei moodustu mõned planeedid mitte akretsiooni, vaid protsessi, mida nimetatakse gravitatsiooniliseks ebastabiilsuseks. See protsess nõuab gaasirikast protoplanetaarset ketast, mis laguneb oma raskusjõu mõjul tükkideks. Aja jooksul muutuvad need tükid otse hiidplaneetideks, millel puudub esiteks kindel tuum. Mudel eeldab, et mehhanism töötab ainult teatud tingimustel: gaas peab olema külm, ei tohi pöörlema ​​väga kiiresti ja peab tõhusalt soojust kaotama. "Kas see seletab planeete HR 8799? Jah, aga ainult kaks kauget külma,” ütles Roman Rafikov.

Varem on protoplanetaarsete ketaste raadioteleskoobi vaatlused pakkunud gravitatsioonilise ebastabiilsuse jaoks mõningast tuge. Olles tundlikud külmade gaaside suhtes, nägid raadioteleskoobid ketastes sassis asümmeetrilisi tükke. Kuid hiljutised pildid Atacama Large Millimeter Array (ALMA) raadioteleskoobist annavad teistsuguse pildi. ALMA on tundlik lühemate lainepikkuste suhtes, mis pärinevad ketta tasapinnas olevatest tolmuosakestest. Tema piltidel tähtedest HL Taurus 2014. aastal ja TW Hydrast 2015. aastal olid siledad, sümmeetrilised kettad tumedate ringikujuliste "vahedega", mis ulatuvad Neptuuni orbiidist palju kaugemale. «See tuli suure üllatusena. Ketastes ei olnud jama, neil on kena korrapärane ilus struktuur. See on löök gravitatsioonilise ebastabiilsuse pooldajatele. Loodus on targem kui meie teooriad,” selgitas Roman Rafikov.

ALMA pilt kettast noore tähe TW Hydra ümber. Autor: S. Andrews (Harvard-Smithsonian CfA); B. Saxton (NRAO/AUI/NSF); ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

On veel vara öelda, milliseid üllatusi SPHERE ja GMI planeedisüsteemide äärealadelt veel toovad. Kuid nende äärealade vahelised piirkonnad ning "kuumade Jupiterite" ja super-Maade lähiorbiidid jäävad kangekaelselt kättesaamatuks: liiga lähedal tähele otseseks pildistamiseks ja liiga kaugel kaudsete meetodite jaoks. Seetõttu on teoreetikutel endiselt raske täit pilti saada. "Toetume fragmentidele ja mittetäielikele vaatlustele. Praegu on see tõenäoliselt kõik valesti, ”ütles Greg Laughlin.

Astronoomid ei pea aga kaua ootama. Järgmisel aastal käivitab NASA Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) ja Euroopa Kosmoseagentuur (ESA) Characterizing Exoplanets Satellite (CHEOPS). Erinevalt Kepleri missioonist, mis uuris rahvaloenduse ajal suurt hulka tähti, keskenduvad TESS ja CHEOPS eredatele lähedalasuvatele päikesesarnastele tähtedele, võimaldades teadlastel uurida "keskmisi" orbiite. Ja kuna sihtmärgid asuvad Maa lähedal, peavad maapealsed teleskoobid suutma hinnata nende massi, mille abil saavad teadlased arvutada tiheduse ja näidata, kas need on kivised või gaasilised.

NASA James Webbi kosmoseteleskoop, mis peaks startima 2018. aastal, läheb veelgi kaugemale. See analüüsib tähe valgust, mis läbib eksoplaneedi atmosfääri, et määrata selle koostis. "See on planeedi kujunemise oluline võti. Näiteks omades rohkem rasked elemendid super-Maa atmosfääris viitab sellele, et ketas on nende elementide poolest rikas. vajalik planeedi tuuma kiireks tekkeks,” selgitas Bruce McIntosh. Järgmisel kümnendil liituvad otsingutega kosmoseaparaadid, nagu NASA Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) ja ESA planeetide transiidid ja võnkumised (PLATO), samuti uue põlvkonna tohutud maapealsed teleskoobid, mille kõrgus on 30 meetrit (või rohkem). ) peeglid.

Sellel illustratsioonil on kujutatud eksoplaneet WASP-121b, ülikuum Jupiter, mis on oma tähele nii lähedal, et isegi raud keeb selle päeva ääres. Krediit ja autoriõigus: Engine House VFX, At-Bristoli teaduskeskus, Exeteri ülikool.

Ülikuumad Jupiterid on uus eksoplaneetide klass, mida astronoomid leiavad üha enam universumi erinevatest osadest. Need uskumatult kuumad gaasihiiglased on oma tähtedele palju lähemal kui Merkuur Päikesele, mille tagajärjeks on alati loodete lukk, mis tähendab, et planeet on alati näoga tähe sama poolega. See põhjustab päevase temperatuuri üle 1900 kraadi Celsiuse järgi, samal ajal kui öine temperatuur on umbes 1000 kraadi Celsiuse järgi. Lisaks on ülikuumadel Jupiteritel ainulaadsed atmosfääriomadused, mida teistel planeetidel ei ole, näiteks molekulide puudumine.

Hoolimata nende kummaliste põrgulike maailmade intrigeerivast olemusest teavad teadlased neist siiski vähe. Kuid uus uuring võeti ajakirjas avaldamiseks vastu Astronoomia ja astrofüüsika võib seda olukorda muuta.

Selles uuringus simuleeris rahvusvaheline teadlaste meeskond nelja teadaoleva ülikuuma Jupiteri atmosfääri, mida varem uuriti Hubble'i ja Spitzeri kosmoseteleskoopide abil. Ja andmete põhjal järeldas meeskond, et ülikuumad Jupiterid on veelgi ebatavalisemad, kui algselt arvati.

Eelkõige avastas meeskond, et need eksoplaneedid on päeva jooksul nii kuumad, et kuumus võib enamiku molekulide tüübid nende koostisosadeks murda. Ja kuna need molekulid hävivad, pole need nähtavad isegi meie kõige arenenumatele vaatluskeskustele. See viis teadlased üllatavale järeldusele: ülikuuma Jupiteri päevaäärne atmosfäär meenutab rohkem tähte kui planeeti.

Lisaks sellele, et see tulemus on iseenesest huvitav, võib see selgitada ka seda, miks astronoomid leiavad ülikuumade Jupiterite päeva- ja öisest servast ainult veemolekule. Meeskond leidis, et kui vesiniku ja hapniku aatomid jõuavad planeedi jahedamale ööpoolele, siis nad rekombineeruvad, mis omakorda viib vee moodustumiseni. Kuna aga planeedi öine pool on otseseks vaatlemiseks liiga pime, suudavad astronoomid neid veemolekule tuvastada vaid päeva ja öö piiril.

See uus uuring ei heida valgust mitte ainult väheuuritud eksoplaneetide klassile, vaid annab ka väärtuslikke andmeid, mis aitavad astronoomidel paremini mõista neil toimuvaid füüsilisi protsesse.